用于综合管网地理信息系统的一体化三维数据建模方法

摘要

本发明涉及一种用于综合管网地理信息系统的一体化三维数据建模方法，其包括下述步骤：(1)对城市综合管网要素进行抽象；(2)构建城市综合管网的变化事件；(3)构建城市综合管网要素拓扑关系；(4)根据城市综合管网本质特征与规律建立城市综合管网要素语义关系模型；(5)建立城市综合管网物理数据模型，通过城市综合管网数据的物理组织，实现上述几何数据模型与属性数据、关系的关联，本发明所提供的三维数据模型建模方法，达到了在城市综合管网数据模型系统上的统一性，满足城市综合管网对动态信息的表达需求，值得推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机三维可视化技术领域，尤其涉及一种用于城市综合管网的三维数据建模方法。

背景技术

城市各类地下管网是城市基础设施的重要组成部分，它就像人体内的神经和血管，日夜担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的生命线。

近20多年来我国城市建设有了飞速发展，城市原有的地下管网已远远满足不了现代化发展的需要，旧管网的更新、新管网的规划、新管网的设计施工都需要准确掌握地下管网的现状，而地下管网的管理主要存在以下两方面的问题：一方面，由于大部分管线处于地下、埋设较深、分布广泛、种类繁多、结构复杂，各种资料的数据量大，资料保存期长，这给管网的设计与管理带来巨大难题；另一方面，当前，我国城市地下管网的管理和研究工作总体来看还是相当落后的，现有的地下专业管网资料都是以图纸、图表等形式记录保存，大部分地区仍以手工方式进行管网的设计和管理，工作效率低，且不能提供准确的综合管线信息，无法满足城市建设、规划及城市管理部门对管网信息的要求，在一定程度上制约了国民经济的发展，由于地下管网管理技术手段落后而造成的损失是巨大的。因此，研究和建立地下管网地理信息系统，采用高技术手段来集中规划地下管网，使其规划、建设、管理、维护逐步走向定量化、科学化、自动化，满足决策部门和施工单位的需要已成为当务之急。实现管网信息的数字化、科学化和现代化管理是摆在我国城市管理工作面前的一项重要而紧迫的任务。

数据模型是对客观事物及其联系的数据描述，GIS数据模型是GIS的灵魂和关键，反映了人们对客观世界的理解。GIS作为一种信息系统，是以现实世界为研究目标，以计算机内部的二进制数字世界作为存储载体的。它将人们对于客观世界的理解，经过一系列处理后变成数字形式存于计算机中。现实世界极其复杂，一方面人们希望GIS包含充足的数据，另一方面又期望从中能方便地选择所需要的相关数据而撇开其它无用的数据。因此，合理的开发城市综合管网的数据模型是实现三维可视化管网系统的基础，本申请正是基于上述问题而进行的研究。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术的不足而提出的一种能够较好解决城市基础设施特别是城市综合管网一体化管理问题的三维数据建模方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于综合管网地理信息系统的一体化三维数据建模方法，其包括下述步骤：

(1)、对城市综合管网要素进行抽象，所述的城市综合管网的要素包括地理网络链、地理网络结点、中心、站、拐角和障碍，并对其相应的属性进行设定；

(2)、构建城市综合管网的变化事件，所述的城市综合管网的变化事件包括城市综合管网的属性、物理特性以及发生在网络上的偶然现象、突发事件；

(3)、构建城市综合管网要素拓扑关系，所述的拓扑关系包括城市综合管网要素间的关联、邻接关系；

(4)、根据城市综合管网本质特征与规律建立城市综合管网要素语义关系模型；

(5)、建立城市综合管网物理数据模型，通过城市综合管网数据的物理组织，实现上述几何数据模型与属性数据、关系的关联。

更进一步地，步骤(1)中，所述的城市综合管网要素抽象为基本图形元素和网络要素，所述的基本图形要素包括点、线；所述的网络要素为在基本图元上增加描述现实中地理网络的属性。

所述的点元素包括结点(node)和点(dot)，线元素包括弧段(arc)、折线(poly line)和区段(route)。

所述的网络要素包括简单要素、复合要素，简单要素为点类型或线类型，并包括动态分段下的路径要素；所述的复合要素由简单要素或其它复合要素构成。

步骤(2)中，所述的事件在空间上分为点事件和线事件，所述的点事件的具体位置或线事件的起止位置采用线性参照的方法，即已知位置点+线性偏移量表示。

步骤(5)中，进一步包括：

对于点状地理特征而言，存储该点状地理特征定位点X、Y、Z，每个数值由一个32位整数存储；

对于线状地理特征，该字段存储组成该特征的点的总数、弧段的个数、弧段对应点的个数及每个点的坐标值，其中每个数值由一个32位整数存储；

对于管网数据中的面状地理特征，该字段存储组成该特征的多边形的个数、多边形的点数和其对应点坐标，其中每个数值由一个32位整数存储。

本发明具有如下优点：本发明所提供的三维数据模型建模方法，达到了在城市综合管网数据模型系统上的统一性，满足城市综合管网对动态信息的表达需求，值得推广应用。

附图说明

附图1是本发明的城市综合管网一体化三维数据模型的总体结构示意图；

附图2是本发明的城市综合管网要素抽象示意图；

附图3是本发明的城市综合管网事件的功能示意图；

附图4是本发明的城市综合管网要素拓扑关系示意图；

附图5是本发明的城市综合管网要素语义关系示意图；

附图6是本发明的城市综合管网物理数据模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

本发明用于综合管网地理信息系统的一体化三维数据建模方法，其主要包括如下步骤：

(1)、对城市综合管网要素进行抽象，所述的城市综合管网的要素包括地理网络链、地理网络结点、中心、站、拐角和障碍，并对其相应的属性进行设定；

(2)、构建城市综合管网的变化事件，所述的城市综合管网的变化事件包括城市综合管网的属性、物理特性以及发生在网络上的偶然现象、突发事件；

(3)、构建城市综合管网要素拓扑关系，所述的拓扑关系包括城市综合管网要素间的关联、邻接关系；

(4)、根据城市综合管网本质特征与规律建立城市综合管网要素语义关系模型；

(5)、建立城市综合管网物理数据模型，通过城市综合管网数据的物理组织，实现上述几何数据模型与属性数据、关系的关联。

通过上述步骤，可搭建出如图1所示的城市综合管网一体化三维数据模型的总体结构，下面将对每个步骤结合城市综合管网的具体环境因素进行详细的说明：

一、根据实体在城市综合管网中的作用进行要素抽象，将城市综合管网的要素分为地理网链、地理结点、中心、站、拐角和障碍，且每一类要素都有相应的属性。其中，

地理网络链是对现实世界中各种线状特征的抽象，是网络中资源流动交换的路线，可以代表机动路线、航道、输电线、供水管道等。网络链可以用各种线状元素(弧段、区段或路径)来表示，而不仅仅局限于弧段。网络链的属性信息有两种：一种是网络链的阻碍强度，如道路机动的时间、花费、危险性等；另一种是网络链的资源需求量，如供水管流量、燃气管气量等。

网络链与网络链之间的连接点就是网络结点，它位于网络链两端，多条网络链通过网络结点建立联系。结点可以表示管线的交叉口、排水管道交汇点等。由于网络链不仅仅是弧段，因而网络的结点与弧段的结点可以一致，也可以不一致。网络结点属性信息包括网络流在结点处的阻抗，如果网络的结点参与资源分配，网络的结点也必须有一个资源需求量。根据实际需要，将其中一些结点设置为中心点、站点、拐角点和障碍等要素。

中心是网络中具有一定的容量，能够从链上获取资源或发散资源的结点所在的位置。例如：储气罐具有一定的容量，能够容纳一定量的燃气，这些燃气再沿着不同的管道输送出去，因此储气罐就是燃气管网的一个中心；中心作为地理网络上资源集散的位置，它的属性至少包括该中心的需求量或供应量。

站是网络中拾起或卸下资源的结点位置，在最优路径分析和资源分配中都要用到站的属性。例如：水路运输中的码头、应急救援网络中的应急保障点。站的属性主要有两种，一种是站的阻碍强度，它代表与站有关的费用或阻碍，例如在码头装卸货物所用时间等；另一种属性是站的资源需求量，它表示资源在站上增加或减少的数量。站的需求量为正数时，表示在该站上拾起资源，反之，表示在该站上卸下资源。

拐角指网络中的网络结点上所有资源流动的可能转向。资源沿某一条链流到有关结点后，既可以原向返回，也可以流向与该结点相连的任意其它链。与网络的其它元素不同，拐角表示网络链之间的关系，而不是现实世界实体的抽象。然而，在现实网络中，拐角对资源的流动有很大的影响，例如在十字路口禁止车辆左拐等。拐角的主要属性是拐角的阻碍强度，它表示在一个结点处资源流向某一条链所需的时间或费用。阻碍强度值为负数时，表示资源禁止流向该弧段。

障碍指网络资源不能通过的网络结点，阻碍了资源在与其相连的任意两条链之间流动。障碍不带任何属性，直接禁止网络链的可运行状态。由于地理网络不同应用和在各时间段的变化，有相当一部分属性需要动态跟踪管理。对属性的管理应满足以下几个要求：一个属性数据的变化，不影响其它任何属性数据；可以非常方便地增加和删除一个属性；应用中只处理感兴趣的属性，减少数据处理量和存储量；能够与实际应用的线性参照定位相结合。

具体实现分为两个步骤，首先建立基本的图形元素：点(point)、线(line)。点元素包括结点(node)和点(dot)，线元素包括弧段(arc)、折线(poly line)和区段(route)，这一层次中的元素包含了与要素相关的几何和拓扑信息，并且不包含现实的内涵。点和折线之间不显式表达拓扑关系，它们的拓扑关系可以通过坐标运算获得；结点和弧段间的拓扑关系全部显式地描述出来，但图形未经过平面强化，相交弧段之间不一定产生结点；区段通过从基本的线元素映射得到。

然后定义网络要素，在基本图元上增加描述现实中地理网络的属性，即对地理实体的空间特征以外的特性的描述。网络要素包括简单要素、复合要素。简单要素可能是点类型或线类型，并包括动态分段下的路径要素，简单要素可能描述拓扑关系或非拓扑关系。复合要素由简单要素或其它复合要素构成，可以定义拓扑关系(如复合要素的连通拓扑)，无拓扑的简单要素不能聚合成复合要素。

在拓扑方式下，一个拓扑点要素通常是通过一个结点来表示，一个拓扑边要素通过一条至多条的弧段或者区段来表示。在非拓扑方式下，要素通过基本元素点和折线来定义，一个非拓扑点要素是通过一个点来表示的，一个非拓扑线要素是通过一个折线来定义的，基本元素之间不定义任何拓扑关系。

区段本身不包含现实网络实体的内涵，由区段集组成的路径则增加了网络属性，可以表示地理网络的线性特征。路径反映了区段之间的连通拓扑关系，两条路径交叉不产生结点，即没有经过平面强化。路径有两方面作用，一方面表示城市综合管网线性要素，路径可以表达连续的、不连续的、带分支的线性要素；另一方面定义了线性参照基准，用于城市综合管网事件的定位。

如图2所示，基础要素层由真实世界中具有确定位置的地物点和线段组成，仅在这一层更新几何数据，该层基于地理空间参照系，基础要素层是网络模型的基础，其它层均共享这一层的几何数据。应用要素层定义现实中的网络要素，包括简单要素(道路元素、供电线)和复杂要素(道路、立交桥、综合管沟)，这一层的更新通过与底层的映射实现。

线性参照层和事件层都是基于线性参照系，线性参照层定义了线性参照网络及线性参照方法，为事件层提供定位基准，路径是描述线性参照方法的主体，事件层中事件的定位通过沿路径的量测距离实现。

二、建立城市综合管网的变化事件，事件包括城市综合管网的属性、物理特性以及发生在网络上的偶然现象、突发事件等。

所述的事件是相对于基础地理网络要素在空间和时间上的变化，也属于城市综合管网要素，是对城市综合管网动态信息的表达，其同样以地理网络链、地理网络结点、中心、站、拐角和障碍的形式作用于城市综合管网系统。城市综合管网事件的属性信息包括事件的作用对象、引起的专题信息变化、空间特征和时间特征。

事件的作用对象及引起的专题信息变化与城市综合管网应用领域相关，其代表城市综合管网应用时需要的信息及带来的影响。作用对象代表事件与基础网络要素的关系，引起的专题信息变化则是事件针对某个应用的属性。例如，城市防空人口疏散模型中人口疏散网络中的危险区、集结区及人防掩蔽工程作为依附于道路网络的点事件来处理。再如，城市道路网络中高架桥和隧道等的通行限高对部队沿道路机动的影响程度可作为点事件来表达，而受损的路段或行车宽度变化的路段对通行速度的影响可以作为线事件来处理。

城市综合管网事件的空间特征表示事件发生的位置，沿网络线性要素定位事件，因此，从空间上可以将事件分为点事件和线事件。用事件点来描述点事件的具体位置或线事件的起止位置，采用线性参照的方法，即已知位置点+线性偏移量表示。如图3所示，站表中各条记录可作为点事件，管网质量表中各条记录可作为线事件。

三、建立城市综合管网要素的拓扑关系，城市综合管网要素拓扑关系是建立起上述网络结构要素(结点、弧段)间的关联、邻接等关系，即要素之间的连通性或相邻的关系。关联是指不同类型要素之间的关系，邻接是指借助于不同类型的要素描述的相同拓扑要素之间的关系。

城市综合管网要素有两种表达方式。第一种方式是不考虑网络实体间的空间关系以实体本身作为管理、存储和处理的对象，例如道路不考虑线路交叉的情况将道路作为实体保存，这种做法保留了地理网络实体的完整性，数据结构简单，但无法进行网络分析，且实体之间的公共结点几何位置可能不一致。另一种方式是将完整的地理网络实体进一步进行离散，以点、线这两种基本元素类型来记录地理位置、表示地理现象，这种方式下，几何数据的离散存储使整体的线目标离散成了弧段，破坏了实体本身的整体性，因此要找出要素间的关系，完整地表达地理网络现象。

采用离散的点、线表示城市综合管网，需要表达要素之间的拓扑关系，如图4所示为点、线之间的六种拓扑关系。拓扑关系的空间逻辑意义重于其几何意义，描述网络的拓扑关系有如下优点：

(a)拓扑关系反映了要素之间的逻辑结构关系，这种拓扑信息比几何位置有更大的稳定性。不需要利用坐标或距离，可以确定一种要素相对于另一个要素的空间位置关系。

(b)利用拓扑关系便于查询要素点、线之间的连通性关系。

(c)利用拓扑关系便于网络分析的进行。

四、对城市综合管网本质特征与规律的表达建立城市综合管网要素语义关系，传统数据模型主要侧重表达地理要素的几何特征，其语义关系和内部关系往往被忽视，语义关系的忽视实际上是对地理现象规律的忽视，在城市综合管网中，忽视语义关系会导致基于这种认识的数据模型在用于复杂的、深层次的网络分析时显得被动。在城市综合管网中，语义关系能够更好地保证数据质量，为模拟城市综合管网现象提供约束准则，从而能够通过计算机描述的空间实体真实地模拟现实的城市综合管网。

如图5所示，本发明城市综合管网要素的语义关系建模是城市综合管网领域知识表示的过程，是领域知识各组成单元的抽象，语义关系包括知识和规则，知识是可以序列化存储到数据表中的规则，规则是知识作用的方式。通过对城市综合管网应用领域的研究，提取出城市发展规划中所关心的地理网络实体属性及其对城市发展规划的规律，并结合城市综合管网自身运行的领域规则，形成知识库，以规则的形式来约束城市综合管网要素行为。

将语义关系模型中的知识转化为规则，通过模型映射，转化为检验应用模型的检验规则，这样语义关系模型里的各类抽象关系就可以映射到应用模型中，应用模型中的语义关系违反了领域知识的抽象关系，能够被检查出来并给予正确的提示。

规则在知识定义基础之上用于约束行为，本发明将规则分为以下几种类型：

(a)连通性的约束规则，指网络链和网络结点之间的连通规则，如判断道路网中两条道路相交时结点是十字路口、高架、立交还是隧道；

(b)无关联的约束规则，指网络要素之间不可能存在的关系，如电力线与煤气管道不可以同位近距埋设；自来水管道与输油管道不可以交叉埋设；

(c)基于条件的约束规则，指如果条件满足才能触发某种事件或事物，如污水管线的埋设高程都有一定的限制，低于某一值时污水就无法排放；

(d)计算的约束规则，指提供计算属性值，如车道宽度不仅决定车辆行驶的列数，而且影响到行进的速度。不同路面宽度允许的行车速度在不同铺面的道路上纵队行进的平均速度。

五、建立城市综合管网物理数据模型(physical data model)，通过城市综合管网数据的物理组织，完成几何数据模型与属性数据、关系的关联。如图6所示，物理数据模型是反映数据存储结构的数据模型，是逻辑数据模型在计算机存储介质上的具体实现。物理数据模型不但与数据库管理系统有关，而且还与操作系统和硬件有关，通过城市综合管网数据的物理组织，完成几何数据模型与属性数据、关系的关联。

管网数据库中图形数据库结构描述：

如图6(a)对于点状地理特征而言，存储该点状地理特征定位点X、Y、Z，每个数值由一个32位整数存储。

如图6(b)对于线状地理特征，该字段存储组成该特征的点的总数、弧段的个数、弧段对应点的个数及每个点的坐标值，其中每个数值由一个32位整数存储。

如图6(c)对于管网数据中的面状地理特征，该字段存储组成该特征的多边形的个数、多边形的点数和其对应点坐标，其中每个数值由一个32位整数存储。

管网数据的数据集模型采用图层管理(VectorLayer)、对象集(RenderObjectSet)、对象(RenderObject)等结构来描述。其中，“对象”指综合要素，它是所有管网三维场景中对象的基类。从该基类派生的对象主要包括网格、地形、管线要素、复杂物体、其他规则物体来描述。对象集是系统中要素集合的封装，每一个管网数据对象抽象为要素(MeshFeature)，各种要素聚合为要素数据集(RenderObjectSet)统一由图层管理器(VectorLayer)来管理，其UML结构图如图6(d)。